山区连续梁桥横桥向抗震性能分析

2023-09-03肖鉴宇

交通科技与管理 2023年16期

肖鉴宇

摘要为了提升山区桥梁抗震性能分析水平，文章总结了反应谱分析桥梁抗震性能的要点，并以某公路桥梁为研究对象，利用Midas Civil软件建立抗震计算模型，从墩底剪力和主梁位移两方面分析了桥梁在不同工况下的地震响应规律，并提出安装铅芯橡胶支座、安装黏滞阻尼器等措施来改善山区连续梁桥的抗震性能，研究成果可为类似的桥梁结构建设提供科学的理论指导。

关键词连续梁桥；反应谱法；Midas Civil软件；地震响应；减隔震

中图分类号 U441.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）16-0111-03

0 引言

随着交通网络的不断完善，越来越多的公路向山区延伸，桥梁结构作为公路沿线的重要结构物，对其质量要求也越来越高[1]。山区地形地势起伏大，地质条件复杂，且容易发生地震，必须充分重视桥梁结构的抗震分析。如果桥梁抗震分析方法选择不合理或分析结果精确度不足，会导致桥梁结构抗震设计方案不合理，严重地导致桥梁在地震力作用下出现整体性坍塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡。近年来，很多学者采用数值模拟、现场监测等手段分析了桥梁抗震响应规律，但是仍未形成统一的理论来指导桥梁设计和施工。因此，进一步研究山区连续梁桥的抗震性能具有重要的工程意义。

1 连续梁桥地震反应谱分析

1.1 抗震设防目标

根据《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020，下简称《规范》），山区公路桥梁可按公路等级、桥梁长度、修复难易程度等划分为四类：A类桥梁、B类桥梁、C类桥梁、D类桥梁。大部分桥梁都是采用两水准抗震设防标准，即在E1地震作用（重现期较短）下基本无损伤，震后可正常使用；在E2地震作用（重现期较长）下，A类桥梁局部轻微损伤状态，震后简单修复后可继续使用。B类、C类桥梁严重损伤，震后经临时加固后可应急使用[2]。

1.2 反应谱选用

反应谱法是一种简化动力计算方法，通过计算离散后质点体系的地震响应参数，得到不同工况下的反应谱曲线。同时，利用数学统计方法，归纳出标准反应谱曲线。目前，反应谱曲线类型多样，在实际项目中大多数采用“周期－加速度”反应谱曲线。由于地震波具有明显的随机性，每次地震得到的反应谱曲线都不同。即使同一次地震中，因场地类型不同（影响最大）、与震中距离不同等，所绘制的反应谱曲线也有很大差异。一般情况下，场地剪切波速越大、离震中距离越小，反应谱曲线主峰越尖细，峰值也偏左。

由上可知，连续桥梁抗震反应谱可按下述步骤选用：测定桥址处的剪切波速→划分场地类型→选择桥址处的地震基本烈度、动峰值加速度，特征周期等参数，代入反应谱公式→绘制地震反应谱曲线。

1.3 反应谱组合

连续梁桥地震反应谱的组合包括振型组合、方向组合，其中振型组合是将同方向的各个振型地震作用组合，得到桥梁在同方向的地震响应；方向组合是将各个方向地震响应组合，得到桥梁在地震作用下的总响应[3]。

2 连续梁桥抗震分析模型建立

2.1 工程概况

研究对象为某山区连续梁桥，上部结构为C50混凝土浇筑的连续小箱梁，跨径组合为4×31 m，设计荷载为汽车-20、挂-100，桥面宽25.5 m，桥面铺装层厚10 cm（4 cm细粒式混凝土AC-13C+6 cm细粒式混凝土AC-20C），桥台台后填土为密实性砂土，桥台下部结构为柱桩，并在桩周加松散砂性土来提高其水平柔度，桥墩采用直径1.5 m的双柱式墩，具体参数见表1。同时，上部结构与盖梁之间的支座采用板式橡胶支座，每片小箱梁下设两个支座，共安装了24个支座。

由施工图勘察资料可知，桥址处的地层从上至下为杂填土、粉质黏土、黏土、中密细砂、基岩，属于Ⅰ类场地，抗震设防烈度为Ⅶ度，动峰值加速度取0.15 g，特征周期取0.35 s。

2.2 基本假定

连续梁桥整体受力机理复杂，地震响应影响因素多，在分析抗震性能时不可能全部考虑。综合考虑计算效率和计算精确度，对桥梁结构作出以下假设[4]：第一，不考虑搭板、翼墙等对桥梁上部结构受力的影响；第二，忽略桩基础、桥墩等下部结构对桥梁抗推刚度的影响；第三，不考虑对顺桥向抗推刚度的影响；第四，不考虑基础沉降、纵向受力钢筋、横向箍筋等对连续梁桥抗震性能的影响。

2.3 具体模拟方法

2.3.1 连接关系

利用Midas Civil软件中内置的梁格法来建立抗震计算模型，其中主梁、桩基、桥墩用梁单元模拟，下部结构桩土相互作用用“土弹簧”，主梁与桥台间的接触关系用刚性连接模拟，桩基底部固结处理。此外，板式橡胶支座的模拟考虑了三种工况：工况1考虑横向挡块的刚性约束作用，用线性单元模拟；工况2不考虑横向挡块的约束作用，用线性单元模拟；工况3不考虑横向挡块的约束作用，但考虑支座的滑动效应，用双线性单元模拟。最终，该连续梁桥共划分了585个节点、658个单元，如图1所示。

2.3.2 地震波输入

桥梁在不同地震波下的响应规律有明显差别，甚至会高达几十倍，故准确的地震波是分析连续梁桥抗震性能的基础。地震波选取方法主要有2种[5]：一是利用桥梁拟建场地上的地震监测数据。该方法数据较准确，但在实际项目中很难得到原始地震波资料，且以前发生的地震波与以后要发生的地震未必完全相同；二是人工合成地震波。即按《规范》先确定反应谱曲线，再以反应谱曲线作为拟合目标，人工合成地震波。大量工程实践表明，连续梁桥抗震性能分析选择的地震波数量不宜过多或过少。地震波过少，强烈抗震性能分析的准确度不足，反之，会花费大量的计算时间，抗震分析经济性差。

2.3.3 橋梁其他荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），除地震作用外，山区连续梁桥在进行抗震分析时还需要考虑各种可变作用、永久作用等。永久作用包括结构自重、预应力、混凝土收缩徐变作用，可变作用包括汽车荷载、汽车冲击力、汽车制动力及升温和降温所产生的温度应力。

3 连续梁桥的地震响应分析

3.1 初始状态下桥梁地震响应

3.1.1 墩底剪力

利用Midas Civil软件分别计算了该连续梁桥在工况1、工况2、工况3下的墩底剪力变化规律，计算结果见图2。

由图2计算结果可知：连续梁桥墩柱在工况1下所承担的地震力最大，工况2次之，工况3最小。以工况1为基准，工况2由于不考虑横向挡块对支座的约束作用，桥梁墩底剪力峰值减小了约55%。工况3因考虑了支座的滑动效应，当地震力＞支座和梁底的滑动摩擦力，支座滑动，会起到一定的减隔震作用，从而降低了墩底剪力。

3.1.2 主梁位移

在地震力不变的条件下，利用Midas Civil软件计算了该连续梁桥在不同工况下的主梁横桥向位移变化规律，计算结果见图3。

图3计算结果表明：工况1考虑了横向挡块的约束作用，主梁位移最小，仅0.086 m，工况2的主梁位移最大，达到了0.16 m，比工况1提高了36.1%。同时，工况3下支座与梁底由摩擦滑动，可减小地震力的作用，位移相对于工况2减小了20.5%。

3.2 采取横桥向减隔震措施后桥梁地震响应

在地震力作用下，连续梁桥的横向受力大，如果仅通过增大横桥向的刚度来减小主梁横桥向位移是不科学的，这会使桥墩墩底产生较大反力。该文立在连续梁桥上、下部结构之间设计耗能装置或阻尼器，以耗散地震力产生的能量，从而提高桥梁抗震性能。

3.2.1 横向减隔震措施

（1）铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座是在橡胶支座中灌入铅芯，利用铅芯的屈服变形来提高支座的抗震性能。在竖向荷载作用下，铅芯橡胶支座中的薄钢板可以约束橡胶层变形，支座竖向变形小。在地震期间，地震加速度所产生的水平力施加在支座上，铅芯逐渐进入塑性状态而屈服，形成滞回环。此时，橡胶层可为铅芯提供水平恢复力，提升支座的阻尼性能。由此可知，影响铅芯橡胶支座减隔震能力的主要参数有铅芯屈服强度、支座屈服前、屈服后的刚度。

（2）黏滞阻尼器。黏滞阻尼器包括活塞、油缸、节流孔等部件，是利用活塞前后的压力差使油流过节流孔所产生的阻尼力来耗散地震能量。在地震力作用下，随活塞速度的增大，黏滞阻尼器所产生的阻尼力也不断增大，两者具体关系可用式（4）表达：

F=Cv^α（4）

式中，F——阻尼力；C——阻尼系数，无量纲；v——活塞运动速度；α——阻尼器速度指数。

3.2.2 横桥向减隔震效果评价

在桥梁模型不变的条件下，利用Midas/civil软件计算了鉛芯橡胶支座和黏滞阻尼器设置后的主梁横向位移，见表2。

由表2可知，连续梁桥结构在设置减隔震支座后，不同桥墩编号处的主梁位移都有明显的降低，1～5墩所对应的主梁横向位移分别减小了45.8%、44.6%、44.0%、43.9%、48.9%。

4 结论

该文以反应谱法为基础，利用Midas Civil软件建立计算模型，分析了桥梁在不同工况下的地震响应规律，得到了以下几个结论：

（1）反应谱法是一种简化动力计算方法，在分析桥梁抗震性能前要对反应谱的振型、方向进行组合。

（2）建立连续梁桥结构时可采用梁格法，并准确输入桥址处的地震波。

（3）在地震力作用下，工况3因考虑了支座滑动摩擦力，使得墩底剪力最小，梁体位移相对于工况2也有降低。

（4）为了提升连续梁桥的横向抗震性能，可将普通支座替换为铅芯橡胶支座，并安装黏滞阻尼器。